水輪發電機電刷磨損分析

摘 要：目前有些水電站出現發電機電刷磨損嚴重現象，本文介紹了可能造成電刷磨損的主要因素，并結合水電站的實際情況對電刷磨損嚴重現象進行分析，針對具體問題給出合理的解決方案，保證機組安全、可靠運行。

關鍵詞：水輪發電機；電刷；磨損

水輪發電機電刷裝置，是將發電機勵磁電流引入轉子勵磁繞組的重要部件。電刷裝置主要由電刷、導電環、固定架及絕緣件等主要部件組成。電刷固定在導電環上，與發電機轉動部件集電環接觸，將發電機的勵磁電流引入發電機勵磁繞組中，為發電機提供持續的勵磁電流。機組運轉時，電刷與集電環之間相互摩擦，產生石墨小顆粒，給機組造成污染。目前，有些水電站出現電刷磨損嚴重問題，有的水電站甚至2-3個月即需要更換一次電刷。以下主要針對影響電刷磨損的主要因素和水電站常出現的電刷磨損的具體情況進行分析。

1 影響電刷磨損的主要因素

1.1 電刷和集電環之間的氧化膜

水輪發電機組運行時，在電刷和集電環磨擦表面之間需要建立一層氧化膜，該層氧化膜是保證電刷抗磨損、穩定運行的非常重要的因素，此氧化膜建立的不好或根本無法建立，電刷必然會磨損嚴重。影響在電刷和集電環之間的表面建立氧化膜的因素主要有：電刷與集電環之間的運行溫度、運行環境的空氣濕度和集電環表面的粗糙度。

1.1.1 電刷與集電環之間的運行溫度

電刷和集電環之間的最佳運行溫度在60-90℃。在這個溫度范圍內運行，最易于電刷與集電環之間氧化膜的建立。為保證此運行溫度，需要合理的選擇電刷的外形尺寸和數量。保證電刷的運行電流密度接近額定電密且在其范圍內，在考慮電流產生熱量的同時，需要考慮電刷與集電環摩擦產生的熱量，保證電刷和集電環之間的運行溫度在最佳運行溫度范圍內。電刷的運行電密過低，電刷負載過輕時，不易建立氧化膜，可能會擦傷電刷表面；電刷的運行電密過高，電刷過載時，電刷的表面將產生過燒斑點，破壞電刷接觸面。

1.1.2 電刷的運行環境要求

電刷的最佳運行環境是空氣的含水量在8-15g/m3，空氣中的含水量或大或小，均會造成電刷磨損嚴重。當空氣的含水量在25g/m3以上，電刷的磨損量加快；當空氣的含水量在3g/m3以下時，運行環境非常干燥，電刷的摩擦面就會破壞，加快電刷的磨損；一些化學物質和清潔劑也會對集電環和電刷造成影響，加速電刷的磨損。

1.1.3 集電環表面的粗糙度

集電環表面的粗糙度在Ra0.8-1.6，建議采用Ra1.6。集電環的表面粗糙度達不到要求，集電環表面過于粗糙，將破壞電刷表面，難以形成氧化膜；集電環的表面粗糙度過高，集電環表面太過光滑，可能對電刷造成粘帶，破壞電刷表面，也不利于在電刷和集電環之間的表面建立氧化膜。只有當集電環表面的粗糙度在要求范圍內時，電刷的碳粉顆粒進入集電環表面的凹陷部分，起到一種潤滑劑的作用，才易于氧化膜的建立，降低電刷磨損。

1.2 恒壓彈簧壓力

在機組運行過程中，刷握上的恒壓彈簧必須保證壓力恒定，才能保證電刷與集電環表面良好接觸。如彈簧的壓力值滿足不了電刷與集電環接觸表面壓力的要求，或大或小都會加快電刷磨損。彈簧壓力過低，電刷表面與集電環表面接觸不良，將出現打火現象，破壞電刷表面；彈簧壓力過高，電刷單位壓力過大，超出了電刷自身能夠承受的壓力值，將加快電刷磨損。

1.3 集電環外圓線速度

集電環外圓線速度也直接影響電刷的磨損情況，不同型號、不同材質的電刷有其適應的線速度要求，如選用電刷無法滿足要求，將大大加快碳刷的磨損。當集電環外圓線速度大于60s/m時，在電刷與集電環之間可能出現氣墊效應，造成電刷與集電環之間不能良好接觸。為防止氣墊效應的產生，在集電環表面開溝螺旋溝槽，溝槽寬3mm，螺距10mm。

2 水電站出現電刷磨損分析

目前，有些水電站出現電刷磨損嚴重現象。例如：瑞麗江、察汗烏蘇及蒲石河等水電站出現電刷磨損嚴重問題，以下針對電站的具體問題進行分析，給出的解決方案。

2.1 瑞麗江水電站電刷磨損分析及處理

瑞麗江水電站水輪發電機機組檢修時發現，在發電機的上導軸承油槽位置出現油泥，電刷位置存留潤滑油，電刷磨損非常嚴重。發電機額定轉速428.6r/min，集電環外圓線速度為24m/s，設計電流密度0.055A/mm2。水輪發電機為懸式結構，電刷裝置放置在發電機上機架中心體內，下端為發電機上導軸承油擋，上端為推力軸承內側油擋。按影響電刷磨損的幾個主要因素分析，造成電刷磨損嚴重的主要原因為：推力軸承內側油擋甩油，潤滑油直接污染電刷與集電環接觸面；設計電密相對較低，氧化膜難以建立，造成電刷磨損嚴重。

改進方案：根據瑞麗江水電站電刷磨損的具體情況，給出以下解決方案。

（1）對推力軸承內側油擋結構進行改進，油擋的上端采用接觸式密封，防止甩油。

（2）提高電刷的運行電密，每極減少8個電刷，運行電密提高至0.077A/mm2。

（3）集電環外圓線速度略高，同時考慮運行環境不理想，可能出現油霧問題，更換電刷型號，采用NCC634天然石墨材質的電刷。

2.2 察汗烏蘇水電站電刷磨損分析及處理

察汗烏蘇水電站機組運行一段時間后，發現頂罩內粉塵污染嚴重。察汗烏蘇水輪發電機集電環外徑？準1030mm，圓周速度14.7m/s；電刷數量為26個/每極，電刷電流密度0.057A/mm2。采用的電刷是D172（25×32mm）電刷。按影響電刷磨損的幾個主要因素分析，造成電刷磨損嚴重的主要原因為：D172電刷的額定電流密度0.12A/mm2，電密選取不合理，運行環境溫度達不到要求，氧化膜難以建立，造成電刷磨損嚴重。

改進方案：電刷數量減少為19個/每極，電刷電流密度0.078A/mm2，便于電刷與集電環摩擦表面形成氧化膜，降低電刷磨損。

2.3 蒲石河水電站電刷磨損分析及處理

蒲石河水電站機組為抽水蓄能機組，發電機額定轉速333.3r/min，機組旋轉方式為正、反轉。機組試運行一段時間后，發現電刷磨損嚴重，粉塵污染嚴重。根據電站的實際情況分析，考慮電刷磨損的幾個主要因素分析，造成電刷磨損嚴重的主要原因為：恒壓彈簧的壓力選取不合理，造成同一層的電刷磨損情況不一致；集電環選用的是螺旋溝槽型式，螺旋溝槽部分位置倒角質量較差，造成該位置電刷磨損明顯比其它位置的電刷磨損嚴重。

改進方案：更換恒壓彈簧，保證彈簧恒壓，且按壓力按電刷要求壓力值；集電環外表面加工處理，對集電環的螺旋溝槽修磨，保證集電環外表面光滑。

3 結束語

綜上所述，電刷磨損嚴重主要與電刷本身所處運行環境的濕度、環境溫度、集電環表面的粗糙度、恒壓彈簧的壓力及集電環外圓線速度等因素有關。發電機設計、制造時均需要重視此環節，合理的選擇電刷的數量及尺寸，為電刷提供理想的運行環境，有效地控制電刷的磨損。水輪發電機的電刷裝置是整個水輪發電機組非常重要的一個環節，電刷磨損嚴重，造成粉塵污染，可能會給機組帶來更大的危害，在機組設計時，還必要考慮設置粉塵吸收裝置，保證水輪發電機組安全可靠運行。

作者簡介：明野（1980-），男，工程師，從事水輪發電機設計工作。